《Nature》:为什么有些酶不怕冷

低温

(在这个炎热的夏天,先来一张寒意满满的图,驱赶一下看官们的燥热)

 

生物化学领域的科学倾向于关注在37°C左右“生理”温度下发生的过程。但是地球表面的许多地方都被海洋,冰或雪所覆盖,并且充满了在更低温度下运行的有机体。这些环境中的生命需要适当的生物学适应性,例如维持细胞化学环境的酶。Saavedra等人在《Nature》杂志上发表了一篇文章,阐明了在分子水平上进行这种低温适应的生物物理机制。他们的研究结果引人注目地表明,远离酶活性位点的蛋白质修饰可以调节酶的局部展开——有效地调节酶的部分结构——可以控制酶反应机制的几个方面。

 

物理化学家早就知道化学反应的速率取决于温度,反应速率通常随着温度下降而下降。这种温度依赖性也适用于酶催化反应,这就引发了一个有趣的问题,即嗜冷生物体(它们在低温下生活)如何维持其酶介导的功能。嗜冷生物体和嗜温生物(生活在生理温度下)中的相关酶具有相似的活性,也就是说,它们所催化的反应以相似的速率发生。为此,必须调整适应低温的酶的功能参数以补偿较低的温度。

 

嗜冷酶

 

关于这种调谐如何发生的线索来自先前的观察,即嗜冷酶相比于嗜中温生物体中的相似的酶而言,在远离活性位点的位置往往具有更多的表面甘氨酸突变(在这种突变中蛋白质表面上的氨基酸残基被甘氨酸残基取代)。然而,这种现象的机械细节知之甚少。Saavedra 等人使用腺苷酸激酶来测试这种甘氨酸突变在一定距离内起作用以改变酶功能的机制。腺苷酸激酶催化有助于维持一磷酸腺苷(作为细胞能量流通的分子)平衡的反应。作者选择这种嗜中温酶是因为它已被广泛用作研究酶生物物理学,生物化学和折叠的模型系统。

 

腺苷酸激酶

 

在目前的研究中,作者测试了先前讨论的想法,即熵的调节——一种无序测量——是酶适应低温的主要驱动力。他们试图在远离活性位点的位置探测表面甘氨酸突变的影响,这可能会改变蛋白质的“摆动”(熵效应)而不改变其整体折叠结构。腺苷酸激酶中有三个结构域:CORE结构域(包含大部分活性位点),以及LID和AMPbd(每个都包含部分活性位点)。作者利用生物物理和结构技术结合研究了LID和AMPbd结构域中的甘氨酸突变。这些研究包括测量酶突变体的稳定性和它们与酶底物模拟物的结合亲和力,以及通过使用核磁共振光谱法更详细地表征蛋白质状态和结构波动。

 

总之,Saavedra及其同事的研究结果表明,腺苷酸激酶至少存在三种不同的状态,并且突变会改变这些状态的相对占用率(稳定性)。与野生型蛋白相比,LID和AMPbd突变体均降低了完全折叠结构的占据率,但它们增加了LID或AMPbd结构域局部展开的两种不同状态的稳定性。这些局部未折叠状态的稳定性的增加源于甘氨酸氨基酸残基的足迹小于其他氨基酸残基,这意味着甘氨酸突变体中的蛋白质链比野生型蛋白中的蛋白链更灵活。值得注意的是,这两种局部展开改变了酶功能的不同方面:LID展开降低了它的结合亲和力,而AMPbd展开增加了它的活性。

 

酶变构调节

 

还有一个特别有趣的方面是,它有助于我们理解表面甘氨酸突变如何在一定的距离发挥作用以支持冷适应。乍一看,这一现象似乎有些神秘,但它包含在变构调节的概念中。变构调节是一种常见的酶调节形式,在离活性位点较远的地方,分子伴侣的结合会影响酶的活性。变构调节的传统观点认为,伴侣的结合导致小的结构变化,通过蛋白质传播以改变活性位点的结构。已经有证据表明,在许多变构调节的情况下,与游离态的动力学(熵)的变化有关而不是结构有关。目前的工作为不同酶性质的熵变构调节提供了惊人的试验和实例。

 

从酶活性位点引入的突变可能会导致局部展开,从而增加酶的活性。这一发现表明生活在寒冷环境中的生物是如何加速生化反应的。Saavedra和他的同事的研究结果对酶功能的进化有着重要的意义。然而,他们关于冷适应机制的提议只在一个模型酶上进行了测试,因此它与其他冷适应酶的相关性还需要进一步的测试。更深入地了解冷适应的生物物理机制也将受益于单分子实验提供的酶结构波动的更详细的解释。然而,这些发现为探索蛋白质功能的多模式变构控制开辟了新的途径,无论是在自然进化中还是在生物技术的合理蛋白质工程中。

 

 

jieweitu

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